JP2012079813A - Manufacturing method of electric storage device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、蓄電デバイスの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an electricity storage device.
従来、電気二重層コンデンサの電解質塩としては4フッ化ホウ酸テトラエチルアンモニウム((C2H5)4NBF4)、4フッ化ホウ酸トリエチルメチルアンモニウム((C2H5)3CH3NBF4)等が用いられている。また、非水電解液二次電池の電解質塩としては、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、4フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3SO2)2)等が用いられている。一方、非水電解液二次電池や電気二重層コンデンサの溶媒としては、プロピレンカーボネートやジエチルカーボネート等のカーボネートや、アセトニトリル等が知られている。さらに、近年、電解質塩でありながら、液体のような挙動をする、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1−エチル−3メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドなどのイオン液体が、電気二重層コンデンサなどの蓄電デバイスに、また、非水電解液二次電池には、イオン液体に六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、4フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3SO2)2)等を加えて使用されることが提案されている。 Conventionally, as an electrolyte salt of an electric double layer capacitor, tetraethylammonium tetrafluoroborate ((C 2 H 5 ) 4 NBF 4 ), triethylmethylammonium tetrafluoroborate ((C 2 H 5 ) 3 CH 3 NBF 4 ) Etc. are used. Moreover, as electrolyte salt of a nonaqueous electrolyte secondary battery, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium (LiN (CF 3) SO 2 ) 2 ) and the like are used. On the other hand, carbonates such as propylene carbonate and diethyl carbonate, acetonitrile, and the like are known as solvents for non-aqueous electrolyte secondary batteries and electric double layer capacitors. Furthermore, in recent years, ionic liquids such as 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate and 1-ethyl-3methylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, which are electrolyte salts but behave like liquids. However, for an electricity storage device such as an electric double layer capacitor, and for a non-aqueous electrolyte secondary battery, ionic liquid includes lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), bis It has been proposed to add (trifluoromethanesulfonyl) imidolithium (LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ) or the like.
電気二重層コンデンサ等の蓄電デバイスは、高温環境下で使用された場合にデバイスの膨れ等が生じないような高温での信頼性が要求されてきており、低蒸気圧の電解液を使用することが有効である。このような低蒸気圧の電解液として、例えば、特許文献1に開示されているようなイオン液体が用いられる。イオン液体は、陽イオンと陰イオンのみで構成されているため、沸点が高く、液体状態を保持できる温度範囲が非常に広い。更に、イオン液体は、蒸気圧が殆どないため、引火性が低く、熱的安定性も非常に優れている。
Electric storage devices such as electric double layer capacitors are required to be reliable at high temperatures so that they do not swell when used in high-temperature environments. Use low vapor pressure electrolytes. Is effective. As such a low vapor pressure electrolytic solution, for example, an ionic liquid as disclosed in
しかしながら、イオン液体のような低蒸気圧電解液を使用した場合、電極に用いられる活物質との濡れ性が悪いため、活物質層の細孔内部に十分に浸透させて接触させることが難しく、容量が低くなるという問題があった。 However, when a low vapor pressure electrolyte such as an ionic liquid is used, because it has poor wettability with the active material used for the electrode, it is difficult to sufficiently penetrate and contact the pores of the active material layer, There was a problem that the capacity was lowered.
そこで、本発明は、活物質層の細孔内部にイオン液体を十分に浸透させることができる蓄電デバイスの製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing an electricity storage device that can sufficiently penetrate an ionic liquid into the pores of an active material layer.
以上の目的を達成するために、本発明に係る蓄電デバイスの製造方法は、活物質層に電解液を浸透させる含浸工程を含む蓄電デバイスの製造方法であって、
前記含浸工程が、
イオン液体と、前記イオン液体と相溶性を有し、前記イオン液体より低い表面張力と該イオン液体より高い蒸気圧とを有する高蒸気圧有機溶媒の混合電解液を前記活物質層に浸透させる混合電解液含浸工程と、
前記浸透された混合電解液から前記高蒸気圧有機溶媒の一部または全部を除去する除去工程と、を有し、
前記混合電解液含浸工程において、前記混合電解液における前記高蒸気圧有機溶媒の含有量を5体積%以上50体積%以下に調整し、
前記除去工程において、前記混合電解液中の前記高蒸気圧有機溶媒の含有率が1重量%以下となるよう除去することを特徴とする。
以上のように構成された本発明に係る蓄電デバイスの製造方法によれば、前記イオン液体を活物質層の細孔内部に浸透させて接触させた後、前記イオン液体を活物質層に十分に接触させた状態を維持して前記高蒸気圧有機溶媒を一部または全部除去することができる。
In order to achieve the above object, a method for producing an electricity storage device according to the present invention is a method for producing an electricity storage device including an impregnation step of impregnating an electrolyte into an active material layer,
The impregnation step comprises:
Mixing which infiltrates the active material layer with a mixed electrolyte of an ionic liquid and a high vapor pressure organic solvent that is compatible with the ionic liquid and has a lower surface tension than the ionic liquid and a higher vapor pressure than the ionic liquid An electrolytic solution impregnation step;
Removing a part or all of the high vapor pressure organic solvent from the permeated mixed electrolyte,
In the mixed electrolyte impregnation step, the content of the high vapor pressure organic solvent in the mixed electrolyte is adjusted to 5 vol% or more and 50 vol% or less,
The removal step is characterized in that the removal is performed so that the content of the high vapor pressure organic solvent in the mixed electrolyte is 1% by weight or less.
According to the method of manufacturing the electricity storage device according to the present invention configured as described above, the ionic liquid is sufficiently infiltrated into the pores of the active material layer and brought into contact with the ionic liquid. The high vapor pressure organic solvent can be partially or completely removed while maintaining the contact state.
また、本発明に係る蓄電デバイスの製造方法では、前記混合電解液における前記高蒸気圧有機溶媒の含有量は5体積%以上50体積%以下に調整される。
このように、前記混合電解液における前記高蒸気圧有機溶媒の含有量を5体積%以上とすることにより、前記混合電解液と活物質層とを効果的に接触させることができる。
また、前記混合電解液における前記高蒸気圧有機溶媒の含有量を50体積%以下とすることにより、前記混合電解液中のイオン液体を前記活物質層に容易に浸透させることができ、かつ比較的短い時間で高蒸気圧有機溶媒を除去することができる。
Moreover, in the manufacturing method of the electrical storage device which concerns on this invention, content of the said high vapor pressure organic solvent in the said mixed electrolyte solution is adjusted to 5 volume% or more and 50 volume% or less.
Thus, the said mixed electrolyte and an active material layer can be made to contact effectively by making content of the said high vapor pressure organic solvent in the said mixed electrolyte into 5 volume% or more.
Further, by setting the content of the high vapor pressure organic solvent in the mixed electrolyte to 50% by volume or less, the ionic liquid in the mixed electrolyte can be easily permeated into the active material layer, and compared. The high vapor pressure organic solvent can be removed in a short time.
さらに、本発明に係る蓄電デバイスの製造方法では、前記除去工程において、前記混合電解液中の前記高蒸気圧有機溶媒の含有率が1重量%以下となるよう除去される。これにより、蓄電デバイスにおける高温での膨れを効果的に抑制することができる。 Furthermore, in the method for manufacturing an electricity storage device according to the present invention, the removal step is performed such that the content of the high vapor pressure organic solvent in the mixed electrolytic solution is 1% by weight or less. Thereby, the swelling at high temperature in an electrical storage device can be suppressed effectively.
本発明に係る蓄電デバイスの製造方法では、20℃における蒸気圧が8.5kPa以上である高蒸気圧有機溶媒を用いることが好ましく、これにより、イオン液体との蒸気圧差を大きくすることが可能になり、優先的に高蒸気圧有機溶媒を除去することが容易となり、除去時間を短縮できる。 In the method for manufacturing an electricity storage device according to the present invention, it is preferable to use a high vapor pressure organic solvent having a vapor pressure of 8.5 kPa or higher at 20 ° C., thereby making it possible to increase the vapor pressure difference from the ionic liquid. Therefore, it becomes easy to remove the high vapor pressure organic solvent preferentially, and the removal time can be shortened.
本発明に係る蓄電デバイスの製造方法では、沸点が80℃以下の高蒸気圧有機溶媒を用いることが好ましく、これにより、イオン液体との沸点差を大きくでき、優先的に高蒸気圧有機溶媒を除去することが容易となり、除去時間を短縮できる。 In the method for producing an electricity storage device according to the present invention, it is preferable to use a high vapor pressure organic solvent having a boiling point of 80 ° C. or less, whereby the boiling point difference from the ionic liquid can be increased, and the high vapor pressure organic solvent is preferentially used. It becomes easy to remove, and the removal time can be shortened.
本発明に係る蓄電デバイスの製造方法では、分子量が88.1以下の高蒸気圧有機溶媒を用いることが好ましく、これにより優先的に高蒸気圧有機溶媒を除去することが容易となり、除去時間を短縮できる。 In the method for producing an electricity storage device according to the present invention, it is preferable to use a high vapor pressure organic solvent having a molecular weight of 88.1 or less. This facilitates the preferential removal of the high vapor pressure organic solvent, and reduces the removal time. Can be shortened.
本発明に係る蓄電デバイスの製造方法では、25℃での表面張力が24.4mN/m以下である高蒸気圧有機溶媒を用いることが好ましく、これにより、高蒸気圧有機溶媒とともにイオン液体を活物質層中に十分浸透させることが可能となる。 In the method for producing an electricity storage device according to the present invention, it is preferable to use a high vapor pressure organic solvent having a surface tension at 25 ° C. of 24.4 mN / m or less, whereby the ionic liquid is activated together with the high vapor pressure organic solvent. It is possible to sufficiently penetrate the material layer.
本発明に係る蓄電デバイスの製造方法では、前記高蒸気圧有機溶媒として、メチルプロピオネート又はアセトンを好ましく用いることができる。 In the method for producing an electricity storage device according to the present invention, methyl propionate or acetone can be preferably used as the high vapor pressure organic solvent.
以上説明したように、本発明に係る蓄電デバイスの製造方法によれば、イオン液体を活物質層の細孔内部に十分に浸透させた後、イオン液体を活物質層に十分に接触させた状態を維持して高蒸気圧有機溶媒を一部または全部除去することができる。
したがって、本発明に係る蓄電デバイスの製造方法により、活物質層の細孔内部にイオン液体を十分に浸透させることができる。
As described above, according to the method for manufacturing an electricity storage device according to the present invention, after the ionic liquid is sufficiently infiltrated into the pores of the active material layer, the ionic liquid is sufficiently in contact with the active material layer. The high vapor pressure organic solvent can be partially or completely removed while maintaining the above.
Therefore, the ionic liquid can be sufficiently permeated into the pores of the active material layer by the method for manufacturing the electricity storage device according to the present invention.
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施形態の蓄電デバイスの製造方法について説明する。
尚、本明細書において、蓄電デバイスには、後述の実施例に示す電気二重層コンデンサの他、リチウムイオン二次電池やリチウムイオンキャパシタ等が含まれる。
一般に、蓄電デバイスの製造方法は、セパレータを介して対向する正極及び負極間に電解液を注液し、その電解液をセパレータと正極及び負極の活物質層に浸透させることを含んでいるが、本実施形態の蓄電デバイスの製造方法では、
(i)電解液として、イオン液体と該イオン液体より高い蒸気圧の高蒸気圧有機溶媒との混合電解液を用い、
(ii)イオン液体と高蒸気圧有機溶媒との混合電解液を正極及び負極間に注液し、その電解液をセパレータと正極及び負極の活物質層に浸透させた後、混合電解液中の有機溶媒の一部または全部を除去している点で従来とは異なっている。
Hereinafter, the manufacturing method of the electrical storage device of embodiment which concerns on this invention is demonstrated, referring drawings.
Note that in this specification, the power storage device includes a lithium ion secondary battery, a lithium ion capacitor, and the like in addition to the electric double layer capacitor described in the examples described later.
In general, a method for producing an electricity storage device includes injecting an electrolyte solution between a positive electrode and a negative electrode facing each other through a separator, and infiltrating the electrolyte solution into an active material layer of the separator, the positive electrode, and the negative electrode. In the method for manufacturing the electricity storage device of this embodiment,
(I) As an electrolytic solution, a mixed electrolytic solution of an ionic liquid and a high vapor pressure organic solvent having a higher vapor pressure than the ionic liquid is used.
(Ii) A mixed electrolytic solution of an ionic liquid and a high vapor pressure organic solvent is injected between the positive electrode and the negative electrode, and the electrolytic solution is infiltrated into the active material layer of the separator, the positive electrode, and the negative electrode. This is different from the conventional one in that part or all of the organic solvent is removed.
ここで本実施形態において、イオン液体とともに用いる高蒸気圧有機溶媒としては、そのイオン液体と相溶性を有するとともに、該イオン液体より25℃における表面張力が低く、該イオン液体より20℃における蒸気圧が高い高蒸気圧有機溶媒を用いる。
このように、本実施形態の製造方法は、イオン液体を、メチルプロピオネートやアセトンのような高蒸気圧有機溶媒と混合して注液することにより、正極及び負極の活物質層やセパレータに十分浸透させた後、高蒸気圧有機溶媒のみを一部又は全部除去する工程を経て蓄電デバイスを作製する。
Here, in the present embodiment, the high vapor pressure organic solvent used together with the ionic liquid is compatible with the ionic liquid, has a lower surface tension at 25 ° C. than the ionic liquid, and a vapor pressure at 20 ° C. than the ionic liquid. Use high vapor pressure organic solvents.
Thus, the manufacturing method of this embodiment mixes an ionic liquid with a high vapor pressure organic solvent such as methylpropionate or acetone, and injects it into the active material layers and separators of the positive electrode and the negative electrode. After sufficiently infiltrating, an electricity storage device is manufactured through a step of removing only part or all of the high vapor pressure organic solvent.
本実施形態では、イオン液体と高蒸気圧有機溶媒とを混合した混合電解液を使用することにより、その混合電解液の活物質層やセパレータに対する濡れ性が向上し、混合電解液に含まれるイオン液体が活物質層の細孔内部に十分浸透する。
すなわち、イオン液体は、表面張力が大きく、また、分子量が大きいことから粘度が高くなって活物質との濡れ性が悪いが、高蒸気圧有機溶媒と混合することにより混合電解液の活物質に対する濡れ性が向上し、混合電解液に含まれるイオン液体が活物質層の細孔内部に十分浸透できるようになる。
以上のようにして、イオン液体が活物質層の細孔内部に十分浸透した後、例えば、減圧下で乾燥すると、イオン液体を活物質層の細孔内部に残したまま高蒸気圧有機溶媒が選択的に除去される。
In the present embodiment, by using a mixed electrolyte obtained by mixing an ionic liquid and a high vapor pressure organic solvent, the wettability of the mixed electrolyte with respect to the active material layer and the separator is improved, and the ions contained in the mixed electrolyte The liquid penetrates sufficiently into the pores of the active material layer.
That is, the ionic liquid has a large surface tension and a large molecular weight, so that the viscosity is high and the wettability with the active material is poor. The wettability is improved, and the ionic liquid contained in the mixed electrolyte can sufficiently penetrate into the pores of the active material layer.
As described above, after the ionic liquid has sufficiently penetrated into the pores of the active material layer, for example, when dried under reduced pressure, the high vapor pressure organic solvent remains with the ionic liquid remaining inside the pores of the active material layer. Selectively removed.
以上のようにして、図1に示すように、イオン液体のみからなる又はイオン液体を主成分とする電解液2が活物質層1の細孔内部に十分浸透してより広い面積で活物質層1と接触した状態が実現できる。
これに対して、高蒸気圧有機溶媒と混合することなく、イオン液体のみで活物質層1の細孔に浸透させようとしても、図2に示すように、イオン液体を活物質層1の細孔に十分浸透させることができず、活物質層1との十分な接触面積を確保することが困難である。
As described above, as shown in FIG. 1, the
On the other hand, even if an attempt is made to penetrate the pores of the
以下、本実施形態の製造方法についてより詳細に説明する。
本実施形態において、高蒸気圧有機溶媒は、イオン液体に比較して濡れ性に優れていることが必要であり、言い替えれば、高蒸気圧有機溶媒の活物質に対する接触角は、イオン液体の活物質に対する接触角に比較して、小さいことが求められる。
また、高蒸気圧有機溶媒の分子量は、イオン液体の分子量に比較して低いことが好ましい。分子量が低い方が揮発しやすく、高蒸気圧有機溶媒を除去する工程において、容易に高分子溶媒を選択的に除去することができ、生産効率を高くできる。
さらに、高蒸気圧有機溶媒の分解電圧は蓄電デバイスの作動電圧範囲よりも広い方が好ましい。残存した高蒸気圧有機溶媒が電気分解されるとガスが発生し、蓄電デバイスの膨張につながるためである。具体的には、標準水素電極電位に対して、5.2V〜−3.0Vであることが好ましい。
Hereinafter, the manufacturing method of this embodiment will be described in more detail.
In the present embodiment, the high vapor pressure organic solvent needs to have better wettability than the ionic liquid. In other words, the contact angle of the high vapor pressure organic solvent with respect to the active material is the active angle of the ionic liquid. It is required to be smaller than the contact angle to the substance.
Further, the molecular weight of the high vapor pressure organic solvent is preferably lower than the molecular weight of the ionic liquid. The lower the molecular weight, the easier it is to volatilize, and in the step of removing the high vapor pressure organic solvent, the polymer solvent can be easily selectively removed, and the production efficiency can be increased.
Furthermore, the decomposition voltage of the high vapor pressure organic solvent is preferably wider than the operating voltage range of the electricity storage device. This is because when the remaining high vapor pressure organic solvent is electrolyzed, gas is generated, leading to expansion of the electricity storage device. Specifically, it is preferably 5.2 V to −3.0 V with respect to the standard hydrogen electrode potential.
イオン液体と高蒸気圧有機溶媒との組み合わせに関して、イオン液体は特に限定されるものではないが、例えば、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレートや1−エチル−3メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、あるいはこれらの混合電解液などが挙げられる。 Regarding the combination of the ionic liquid and the high vapor pressure organic solvent, the ionic liquid is not particularly limited. For example, 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate or 1-ethyl-3methylimidazolium bis ( (Trifluoromethanesulfonyl) imide, or a mixed electrolytic solution thereof.
また、高蒸気圧有機溶媒としては、特に限定されるものではないが、例えば、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、ジメトキシメタン、1,3−ジメトキシメタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、メチルフォルメイト、メチルアセテート、メチルプロピオネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、アセトニトリル、3−メチルスルフォラン、N,N−ジメチルフォルムアミド、アセトン、あるいはこれらの混合電解液を使用することができる。 Further, the high vapor pressure organic solvent is not particularly limited, and examples thereof include propylene carbonate, butylene carbonate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, dimethoxymethane, 1,3-dimethoxymethane, tetrahydrofuran, 2- Methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, methyl formate, methyl acetate, methyl propionate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, acetonitrile, 3-methyl sulfolane, N , N-dimethylformamide, acetone, or a mixed electrolytic solution thereof can be used.
イオン液体として、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレートを使用することがより好ましい。1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレートは、1−エチル−3メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドと比較してアニオンであるテトラフルオロボレートのイオン半径が小さいため、よりイオン伝導しやすくなることから、導電率が高く、より低抵抗の電気二重層コンデンサを供給することができるためである。 More preferably, 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate is used as the ionic liquid. Since 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate has a smaller ionic radius of tetrafluoroborate, which is an anion, compared to 1-ethyl-3methylimidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, it conducts more ions. This is because an electric double layer capacitor having a high conductivity and a lower resistance can be supplied.
また、高蒸気圧有機溶媒として、好ましくはプロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、メチルアセテート、メチルプロピオネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、アセトニトリル、アセトンが挙げられる。より好ましくは、CH3−COO−R(−R:炭素数2以下の置換基)のようなメチルアセテート、メチルプロピオネート又はアセトンが挙げられる。CH3−COO−R(−R:炭素数2以下の置換基)のようなメチルアセテート、メチルプロピオネート又はアセトンは上記イオン液体と相溶性を有し、また、沸点も低く(メチルアセテート(沸点58℃,分子量74.1)、メチルプロピオネート(沸点79.7℃,分子量88.1)、アセトン(沸点57℃,分子量58.1))、高蒸気圧有機溶媒を除去する工程において、より容易に除去することができ、本発明の効果をより奏することができるためである。
The high vapor pressure organic solvent is preferably propylene carbonate, γ-butyrolactone, methyl acetate, methyl propionate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, acetonitrile, or acetone. More preferably, methyl acetate, methyl propionate or acetone such as CH 3 —COO—R (—R: a substituent having 2 or less carbon atoms) is used. Methyl acetate, methyl propionate or acetone such as CH 3 —COO—R (—R: a substituent having 2 or less carbon atoms) is compatible with the ionic liquid and has a low boiling point (methyl acetate ( In the step of removing
イオン液体と高蒸気圧有機溶媒を含む混合電解液において、高蒸気圧有機溶媒を除去した後の高蒸気圧有機溶媒の含有率は、5重量%以下にすることが好ましく、より好ましくは、1重量%以下にする。これにより、蓄電デバイスにおける高温での膨れを効果的に抑制することができる。 In the mixed electrolyte containing the ionic liquid and the high vapor pressure organic solvent, the content of the high vapor pressure organic solvent after removing the high vapor pressure organic solvent is preferably 5% by weight or less, more preferably 1 Less than wt%. Thereby, the swelling at high temperature in an electrical storage device can be suppressed effectively.
また、高蒸気圧有機溶媒を揮発除去する方法としては、加熱、減圧、又はこれらの組み合わせによる除去方法が挙げられる。
また、イオン液体の沸点と高蒸気圧有機溶媒の沸点の沸点差は、50℃以上であることが好ましい。沸点差が50℃以上あると、高蒸気圧有機溶媒の揮発除去が容易となる。
In addition, examples of the method for volatilizing and removing the high vapor pressure organic solvent include a removal method by heating, decompression, or a combination thereof.
Moreover, it is preferable that the boiling point difference of the boiling point of an ionic liquid and the boiling point of a high vapor pressure organic solvent is 50 degreeC or more. When the difference in boiling points is 50 ° C. or more, the high vapor pressure organic solvent can be easily removed by volatilization.
以上説明した本実施形態の製造方法によれば、活物質層の細孔内部でイオン液体が十分に活物質層表面に接触して電気二重層コンデンサの容量が増大し、内部抵抗が減少するとともに、高蒸気圧有機溶媒が一部除去されているため、この除去操作を行わない場合に比べて、高温での膨れが抑制された信頼性の高い電気二重層コンデンサを提供することができる。
したがって、本実施形態の製造方法によれば、優れた電気化学特性を有しかつ信頼性の高い蓄電デバイスを製造することが可能になる。
また、以上の実施形態の説明では、セパレータにイオン液体を含浸させて電気二重層コンデンサを作製する例を示して説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、セパレータを用いることなくイオン液体が含浸されたゲルを電極間に使用する場合などにも適用することができる。
According to the manufacturing method of the present embodiment described above, the ionic liquid sufficiently contacts the surface of the active material layer inside the pores of the active material layer, the capacity of the electric double layer capacitor increases, and the internal resistance decreases. Since the high vapor pressure organic solvent is partially removed, it is possible to provide a highly reliable electric double layer capacitor in which swelling at a high temperature is suppressed as compared with the case where this removal operation is not performed.
Therefore, according to the manufacturing method of this embodiment, it is possible to manufacture an electricity storage device having excellent electrochemical characteristics and high reliability.
In the above description of the embodiment, an example in which an electric double layer capacitor is produced by impregnating a separator with an ionic liquid has been described. However, the present invention is not limited to this, and an ion can be used without using a separator. The present invention can also be applied to a case where a gel impregnated with a liquid is used between electrodes.
本発明に係る実施例1〜4の電気二重層コンデンサセルと比較例1〜4の電気二重層コンデンサセルを作製して比較した。実施例と比較例の電気二重層コンデンサセルの構造は同一とし、電解液及び製造方法を変更して、それぞれ実施例1〜4及び比較例1〜4とした。
そして、実施例1〜4及び比較例1〜4の電気二重層コンデンサにおいてそれぞれ以下のようにして、セルを作製し、電気化学測定を行った。
The electric double layer capacitor cells of Examples 1 to 4 according to the present invention and the electric double layer capacitor cells of Comparative Examples 1 to 4 were produced and compared. The structures of the electric double layer capacitor cells of the example and the comparative example were the same, and the electrolytic solution and the manufacturing method were changed to be examples 1 to 4 and comparative examples 1 to 4, respectively.
And in the electric double layer capacitor | condenser of Examples 1-4 and Comparative Examples 1-4, the cell was produced as follows and the electrochemical measurement was performed.
<電気二重層コンデンサセルの作製>
1.電極の作製
まず、
(i)活性炭(BET比表面積1668m2/g、平均細孔直径1.83nm、平均粒径D50=1.26μm)29.0g、
上記BET比表面積と平均細孔直径は、「株式会社島津製作所製BELmax」を用いて、N2ガス吸脱着によるBET法にて算出しし、上記の平均粒径は、レーザー回折式で測定した。
(ii)カーボンブラック(東海カーボン株式会社製トーカブラック#3855、BET比表面積90(m2/g))2.7g、
(iii)カルボキシメチルセルロース(ダイセル化学工業株式会社製CMC2260)3.0g、
(iv)38.8重量%のポリアクリレート樹脂水溶液2.0g、
(v)脱イオン水286g、
を秤量して、表1に示す条件で一次分散及び二次分散を行い混合した。
その後、表1に示す条件で、ドクターブレード法によりアルミニウム箔(厚さ20μm)上に塗工を行い、電極シートを作製した。
<Production of electric double layer capacitor cell>
1. Preparation of electrodes
(I) 29.0 g of activated carbon (BET specific surface area 1668 m 2 / g, average pore diameter 1.83 nm, average particle diameter D50 = 1.26 μm),
The BET specific surface area and average pore diameter were calculated by the BET method by N 2 gas adsorption / desorption using “BELmax manufactured by Shimadzu Corporation”, and the average particle diameter was measured by a laser diffraction method. .
(Ii) 2.7 g of carbon black (Toka Black # 3855 manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd., BET specific surface area 90 (m 2 / g)),
(Iii) 3.0 g of carboxymethyl cellulose (CMC2260 manufactured by Daicel Chemical Industries, Ltd.)
(Iv) 2.0 g of a 38.8 wt% polyacrylate resin aqueous solution,
(V) 286 g of deionized water,
Were weighed, mixed under primary dispersion and secondary dispersion under the conditions shown in Table 1.
Then, it applied on aluminum foil (
表1
Table 1
以上のように作製した電極シートを打ち抜いて、図3(a)に示す正極板10、図3(b)に示す負極板20を作製した。正極板10と負極板20はそれぞれ、活性炭塗工部11,21及びリード部12,22とを有してなる。
ここで、電極打ち抜きは、トムソン刃[ミツワフロンテック製N4Z235−0010]を用い、正極板10は活性炭塗工部11が10×10mmになるように、負極板20は活性炭塗工部21が12×12mmになるように打ち抜いた。
また、正極板10のリード部12及び負極板20のリード部22はそれぞれ、幅2mm、長さ9mmとした。
The electrode sheet produced as described above was punched out to produce a
Here, a Thomson blade [N4Z235-0010 made by Mitsuwa Frontech] is used for electrode punching, and the
The
2.セパレータ準備
図3(c)に示す、厚さ23μmのアラミド製セパレータ30を準備した。
アラミド製セパレータ30の大きさは、15mm×15mmとした。
2. Preparation of Separator
The size of the
3.セルアセンブリ組み立て
図3(d)に示すように、アラミド製セパレータ30を正極板10及び負極板20の間に配置し、図3(e)に示すように、カプトンテープ41で正極板10とアラミド製セパレータ30間、及び負極板20とアラミド製セパレータ30間を貼り合わせて、積層体40を作製した。
図3(e)に示すように、積層体40の正極板10のリード部12及び負極板20のリード部22にそれぞれ正極アルミニウムタブ51及び負極アルミニウムタブ52をカプトンテープ42で取りつけて、それぞれ2箇所の導通部55において超音波溶着により導通させて、セルアセンブリ50を作製した。尚、図3(e)において、シーラント53は、例えば、ポリプロピレンからなり、正極アルミニウムタブ51及び負極アルミニウムタブ52と後述のアルミラミネートフィルム60との間の気密性を確保するために設けられる。
3. Cell Assembly Assembly As shown in FIG. 3 (d), an
As shown in FIG. 3 (e), a positive
4.ラミネート・注液
図4(a)に示すように、セルアセンブリ50をアルミニウム箔を芯材として両面に樹脂層を備えるアルミラミネートフィルム60で両面から包み、シール部S1,シール部S2,シール部S3をインパルスシーラーで仮封止してセルを作製した。
シール部S1〜S3の3箇所を仮封止した後、それぞれ所定の混合比の電解液をセルに注液して、所定の条件で乾燥した後、図4(b)に示すように、最終シール部S4を含むシール部を真空シーラー(株式会社古川製作所製FVS−7−400II)により完全封止した。
以上のようにして、実施例及び比較例の電気二重層コンデンサセルを作製した。
尚、各実施例及び比較例における電解液の混合比及び仮封止後の乾燥条件については後述する。
4). Lamination / Liquid Injection As shown in FIG. 4 (a), the
After temporarily sealing the three portions of the seal portions S1 to S3, an electrolytic solution having a predetermined mixing ratio is poured into the cell and dried under predetermined conditions. Then, as shown in FIG. The seal part including the seal part S4 was completely sealed with a vacuum sealer (FVS-7-400II manufactured by Furukawa Seisakusho).
As described above, electric double layer capacitor cells of Examples and Comparative Examples were produced.
In addition, about the mixing ratio of the electrolyte solution in each Example and a comparative example, and the drying conditions after temporary sealing are mentioned later.
以下、各実施例及び比較例に係る電解液の種類、乾燥の有無及び条件について説明する。
実施例1
実施例1では、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート(以下、EMIBF4と記す)とメチルプロピオネート(以下、MPと記す)を80:20(体積%)で混合して電解液を作製して、仮封止後のセルに50μlを注液し、真空計のゲージ圧が−0.09MPa以下の真空環境下で4時間50分放置した。放置後の電解液中のメチルプロピオネートの含有率は、0.60重量%であった。
そして、放置後、完全封止した。
Hereinafter, the types of electrolyte solutions, the presence / absence of drying, and conditions according to each example and comparative example will be described.
Example 1
In Example 1, 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (hereinafter referred to as EMIBF 4 ) and methyl propionate (hereinafter referred to as MP) were mixed at 80:20 (volume%) for electrolysis. A liquid was prepared, 50 μl was poured into the temporarily sealed cell, and left for 4 hours and 50 minutes in a vacuum environment where the gauge pressure of the vacuum gauge was −0.09 MPa or less. The content of methyl propionate in the electrolyte after standing was 0.60% by weight.
And after standing, it completely sealed.
実施例2
EMIBF4とアセトンを80:20(体積%)の比率で混合した電解液をセルに注液して、実施例1と同様の条件で放置した。
放置後の電解液中のアセトンの含有率は、0.99重量%であった。
Example 2
An electrolytic solution in which EMIBF 4 and acetone were mixed at a ratio of 80:20 (volume%) was poured into the cell and left under the same conditions as in Example 1.
The acetone content in the electrolyte after standing was 0.99% by weight.
実施例3
EMIBF4とMPを90:10(体積%)で混合した電解液をセルに注液して、実施例1と同様の条件で放置した。
放置後の電解液中のMPの含有率は、0.22重量%であった。
Example 3
An electrolytic solution in which EMIBF 4 and MP were mixed at 90:10 (volume%) was poured into the cell and left under the same conditions as in Example 1.
The content of MP in the electrolytic solution after standing was 0.22% by weight.
実施例4
EMIBF4とMPを95:5(体積%)で混合した電解液をセルに注液して、実施例1と同様の条件で放置した。
放置後の電解液中のMPの含有率は、0.14重量%であった。
Example 4
An electrolytic solution in which EMIBF 4 and MP were mixed at 95: 5 (volume%) was poured into the cell and left under the same conditions as in Example 1.
The content of MP in the electrolytic solution after being left was 0.14% by weight.
比較例1
EMIBF4単体を電解液としてセルに注液した以外は、実施例1と同様にした。
Comparative Example 1
Example 1 was repeated except that EMIBF 4 alone was injected into the cell as an electrolyte.
比較例2
EMIBF4とMPを97:3(体積%)で混合した電解液をセルに注液して、実施例1と同様の条件で放置した。放置後の電解液中のMPの含有率は、0.13重量%であった。
Comparative Example 2
An electrolytic solution in which EMIBF 4 and MP were mixed at 97: 3 (volume%) was poured into the cell and left under the same conditions as in Example 1. The content of MP in the electrolytic solution after standing was 0.13% by weight.
比較例3
EMIBF4とメチルプロピオネートを80:20(体積%)で混合して電解液を作製した。尚、電解液中のMPの重量率は、16.1重量%であった。
以上のように作製した電解液をセルに注液した後、ゲージ圧が−0.07MPaの真空環境下で、5分減圧し、その後、常圧に戻し再びゲージ圧を−0.07MPaにした後、10秒減圧し、常圧に戻して真空シーラーでセルを完全封止した。含浸操作後のMPの重量率は、10.3重量%であった。
Comparative Example 3
EMIBF 4 and methyl propionate were mixed at 80:20 (volume%) to prepare an electrolytic solution. In addition, the weight ratio of MP in electrolyte solution was 16.1 weight%.
After pouring the electrolyte prepared as described above into the cell, the pressure was reduced for 5 minutes in a vacuum environment with a gauge pressure of -0.07 MPa, and then returned to normal pressure and the gauge pressure was again reduced to -0.07 MPa. Thereafter, the pressure was reduced for 10 seconds, the pressure was returned to normal pressure, and the cell was completely sealed with a vacuum sealer. The weight percentage of MP after the impregnation operation was 10.3 wt%.
比較例4(有機溶媒の除去工程なし)
EMIBF4とMPを98.7:1.3(体積%)で混合して電解液を作製した。作製した電解液をセルに50μl注液し、大気圧下で4時間50分放置した。放置後の電解液中のMPの含有率は、1.00重量%であった。
その後、真空シーラーでセルを完全封止した。
尚、実施例及び比較例で用いたイオン液体及び有機溶媒の表面張力は、協和界面科学(株)製の自動界面張力計PD−Z型を用いてペンダント・ドロップ法により測定したところ、EMIBF4が54.4mN/m(25℃)、アセトンが23.5mN/m(25℃)、MP(メチルプロピオネート)が24.4mN/m(25℃)であった。
Comparative Example 4 (no organic solvent removal step)
EMIBF 4 and MP were mixed at 98.7: 1.3 (volume%) to prepare an electrolytic solution. 50 μl of the prepared electrolyte was poured into the cell, and left for 4 hours and 50 minutes under atmospheric pressure. The content of MP in the electrolytic solution after standing was 1.00% by weight.
Thereafter, the cell was completely sealed with a vacuum sealer.
The surface tension of the ionic liquids and organic solvents used in Examples and Comparative Examples, was measured by the pendant drop method using an automatic surface tension meter PD-Z type manufactured by Kyowa Interface Science (Ltd.), EMIBF 4 Was 54.4 mN / m (25 ° C.), acetone was 23.5 mN / m (25 ° C.), and MP (methyl propionate) was 24.4 mN / m (25 ° C.).
以上のようにして作製した実施例1〜4及び比較例1〜4の電気二重層コンデンサセルについてそれぞれ以下の項目を評価した。
(1)容量測定
以下のようにして容量を測定した。
[容量測定充放電条件]
10mAの電流を各セルの電圧が2.75Vに達するまで流して充電した後、10秒間放置し、その後、10mAの電流を各セルの電圧が0.10Vに達するまで流して放電して、さらに10秒間放置した。
この一連の充電−放置−放電−放置を1サイクルとし、合計4サイクルの充放電をした後、10mAの電流を電気二重層コンデンサセルの電圧が2.75Vに達するまで流して充電した後、10秒間放置し、その後、10mAの電流を各セルの電圧が0.10Vに達するまで流して放電した時の容量(μWh)をそれぞれ求めた。
(2)高温環境下における膨れ評価
電気二重層コンデンサセルを恒温槽に入れ、120℃、真空計のゲージ圧が−0.09MPa以下で3時間放置した後のセルの膨れを確認した。
The following items were evaluated for the electric double layer capacitor cells of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 produced as described above.
(1) Capacity measurement The capacity was measured as follows.
[Capacity measurement charge / discharge conditions]
The battery was charged by flowing a current of 10 mA until the voltage of each cell reached 2.75 V, then left for 10 seconds, and then discharged by flowing a current of 10 mA until the voltage of each cell reached 0.10 V. Left for 10 seconds.
This series of charging-leaving-discharging-leaving is defined as one cycle, and charging and discharging are performed for a total of 4 cycles, and then charging is performed by passing a current of 10 mA until the voltage of the electric double layer capacitor cell reaches 2.75 V. Then, the capacity (μWh) when discharged by flowing a current of 10 mA until the voltage of each cell reached 0.10 V was determined.
(2) Swelling evaluation under high temperature environment The electric double layer capacitor cell was placed in a thermostatic bath, and the swelling of the cell was confirmed after being left at 120 ° C. and a gauge pressure of a vacuum gauge of −0.09 MPa or less for 3 hours.
容量測定及びセル膨れ評価の結果を表2に示す。 The results of capacity measurement and cell swelling evaluation are shown in Table 2.
表2
Table 2
表2に示すように、容量に関して、実施例1〜4の電気二重層コンデンサセルの容量は、比較例3の電気二重層コンデンサセルに比べると低いものの、比較例1,2及び4の電気二重層コンデンサセルに比べると高いものであった。
また、実施例4と有機溶媒による含浸と有機溶媒の除去を行わなかった比較例1を比べると、実施例4の電気二重層コンデンサセルは、容量が5%上昇した。
さらに、比較例3の電気二重層コンデンサセルは、電気化学特性に優れるものの、セルの膨れが20%以上と大きく、高温環境下での信頼性を満足することはできなかった。
As shown in Table 2, regarding the capacity, although the capacity of the electric double layer capacitor cell of Examples 1 to 4 is lower than that of the electric double layer capacitor cell of Comparative Example 3, the electric capacity of Comparative Examples 1, 2, and 4 is It was higher than the multilayer capacitor cell.
Further, comparing Example 4 with Comparative Example 1 in which the impregnation with the organic solvent and the removal of the organic solvent were not performed, the capacity of the electric double layer capacitor cell of Example 4 was increased by 5%.
Furthermore, although the electric double layer capacitor cell of Comparative Example 3 was excellent in electrochemical characteristics, the swelling of the cell was as large as 20% or more, and the reliability under a high temperature environment could not be satisfied.
尚、比較例3の電気二重層コンデンサセルにおいて優れた電気化学特性が得られた理由は、以下のようなものと考えられる。
実施例1ではMP残量が0.22重量%であるのに対して、比較例3では10.3重量%と多くなっている。このように、イオン液体に対して有機溶媒の添加量が多くなると、電解液の粘度が低下する。これにより、電気二重層コンデンサセルに電圧が印加されて、アニオンやカチオンが電気泳動で電解液中を移動するときの抵抗が小さくなってイオンが移動し易くなり、電解液の電導度は大きくなる。
その結果、比較例3の電気二重層コンデンサセルの抵抗は低くなると考えられる。
上記容量測定では、電気二重層コンデンサセルの抵抗が低いと、0.10Vに達するまでに時間が掛かり、見掛け上、容量が大きくなる。
したがって、より低電流で充放電を行い測定すると、比較例3と実施例1の容量はほぼ同じとなると推定される。
The reason why excellent electrochemical characteristics were obtained in the electric double layer capacitor cell of Comparative Example 3 is considered as follows.
In Example 1, the remaining amount of MP is 0.22% by weight, whereas in Comparative Example 3, it is as high as 10.3% by weight. Thus, when the addition amount of the organic solvent increases with respect to the ionic liquid, the viscosity of the electrolytic solution decreases. As a result, a voltage is applied to the electric double layer capacitor cell, the resistance when the anion or cation moves in the electrolytic solution by electrophoresis decreases, and the ions easily move, and the conductivity of the electrolytic solution increases. .
As a result, the resistance of the electric double layer capacitor cell of Comparative Example 3 is considered to be low.
In the above capacitance measurement, if the resistance of the electric double layer capacitor cell is low, it takes time to reach 0.10 V, and the capacitance increases apparently.
Therefore, when charging and discharging is performed at a lower current, the capacities of Comparative Example 3 and Example 1 are estimated to be substantially the same.
このように、実施例1〜4の電気二重層コンデンサセルは、電気化学特性が良好で、かつ高温環境下での信頼性を満足することができる結果となった。 As described above, the electric double layer capacitor cells of Examples 1 to 4 have good electrochemical characteristics and can satisfy the reliability in a high temperature environment.
なお、電解液中の有機溶媒の含有量は、50体積%以下であることが好ましい。電解液中の有機溶媒の含有量が50体積%以下であると、セル中にイオン液体を75%注液するのに1回又は2回注液工程を繰返すことで可能であるが、50体積%を越えると、注液工数が多くなり、また、有機溶媒の除去にも時間がかかり生産性が悪くなる。 In addition, it is preferable that content of the organic solvent in electrolyte solution is 50 volume% or less. When the content of the organic solvent in the electrolytic solution is 50% by volume or less, it is possible to inject 75% of the ionic liquid into the cell by repeating the injection step once or twice, but 50% by volume. If it exceeds 50%, the number of man-hours for injection increases, and the removal of the organic solvent takes time and productivity is deteriorated.
なお、本実施例では、1つのセルアセンブリ50を用いて構成した例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数のセルアセンブリ50を積層して電気二重層コンデンサセルに適用することもできるし、巻回型の電気二重層コンデンサセルに適用することももちろん可能である。
In this embodiment, an example in which one
また、本実施例では、電気二重層コンデンサセルの例を示したが、本発明は電気二重層コンデンサに限定されるものではなく、リチウムイオン二次電池やリチウムイオンキャパシタ等の蓄電デバイスに適用できる。 Further, in this embodiment, an example of an electric double layer capacitor cell has been shown, but the present invention is not limited to an electric double layer capacitor, and can be applied to an electricity storage device such as a lithium ion secondary battery or a lithium ion capacitor. .
以上説明したように、蓄電デバイスにおいて、耐熱性を向上させるためイオン液体を用いることが有効であるが、イオン液体は、通常用いられる電解液と比較して粘度が高く、導電率が低く、また、電極に用いられる活物質との濡れ性が悪いため、イオン液体を使用した場合の蓄電デバイスの容量低下が問題であった。しかしながら、本発明によれば、この困難な課題を克服することができ、蓄電デバイスの耐熱性向上と高容量化は両立が可能になり、産業上の意義は大きい。 As described above, in an electricity storage device, it is effective to use an ionic liquid in order to improve heat resistance. However, an ionic liquid has a higher viscosity and lower conductivity than a commonly used electrolyte, Since the wettability with the active material used for the electrode is poor, the capacity reduction of the electricity storage device when using an ionic liquid has been a problem. However, according to the present invention, this difficult problem can be overcome, and it is possible to achieve both improvement in heat resistance and increase in capacity of the electricity storage device, which is of great industrial significance.
1 活物質層
2 電解液
10 正極板
11 正極板の活性炭塗工部
12 正極板のリード部
20 負極板
21 負極板の活性炭塗工部
22 負極板のリード部
30 アラミド製セパレータ
40 積層体
41,42 カプトンテープ
50 セルアセンブリ
51 正極アルミニウムタブ
52 負極アルミニウムタブ
55 導通部
60 アルミラミネートフィルム
S1,S2,S3 シール部
S4 最終シール部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記含浸工程が、
イオン液体と、前記イオン液体と相溶性を有し、前記イオン液体より低い表面張力と該イオン液体より高い蒸気圧とを有する高蒸気圧有機溶媒の混合電解液を前記活物質層に浸透させる混合電解液含浸工程と、
前記浸透された混合電解液から前記高蒸気圧有機溶媒の一部または全部を除去する除去工程と、を有し、
前記混合電解液含浸工程において、前記混合電解液における前記高蒸気圧有機溶媒の含有量を5体積%以上50体積%以下に調整し、
前記除去工程において、前記混合電解液中の前記高蒸気圧有機溶媒の含有率が1重量%以下となるよう除去することを特徴とする蓄電デバイスの製造方法。 A method of manufacturing an electricity storage device including an impregnation step of infiltrating an electrolytic solution into an active material layer,
The impregnation step comprises:
Mixing which infiltrates the active material layer with a mixed electrolyte of an ionic liquid and a high vapor pressure organic solvent that is compatible with the ionic liquid and has a lower surface tension than the ionic liquid and a higher vapor pressure than the ionic liquid An electrolytic solution impregnation step;
Removing a part or all of the high vapor pressure organic solvent from the permeated mixed electrolyte,
In the mixed electrolyte impregnation step, the content of the high vapor pressure organic solvent in the mixed electrolyte is adjusted to 5 vol% or more and 50 vol% or less,
In the removal step, the high-vapor pressure organic solvent content in the mixed electrolyte is removed so as to be 1% by weight or less.
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